頂空固相微萃取/氣相色譜-三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜法測定地表水與飲用水中的揮發(fā)性有機物

馮麗麗，胡曉芳

(上海交通大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

揮發(fā)性有機物(VOCs)是一類在室溫下易揮發(fā)的重要有機污染物，地表水和飲用水中的VOCs主要來源于工業(yè)廢水、市政污水以及自來水消毒工藝[1]。一些揮發(fā)性鹵代化合物即使?jié)舛群艿蛯θ梭w也有毒害[2]，某些難降解的VOCs還會導(dǎo)致生物累積效應(yīng)，在很大范圍上影響生物系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)[3]。因此，飲用水和地表水中VOCs的含量越來越受到關(guān)注，開發(fā)高效靈敏的VOCs檢測技術(shù)具有重要的實際意義。

氣相色譜-三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜(GC-MS/MS)是一種適用于痕量有機物的檢測技術(shù)，通過消除基質(zhì)干擾和降低噪聲來提高選擇性和靈敏度。近年來，GC-MS/MS被廣泛應(yīng)用于環(huán)境和食品中有機污染物的檢測[4-7]，但用于水中VOCs檢測的研究鮮見報道。由于VOCs揮發(fā)性強，且在環(huán)境水體中的濃度很低，通常在ng/L和μg/L之間[3]，需選擇合適的前處理方法進行富集和濃縮。頂空固相微萃取(HS-SPME)富集水中的VOCs具有富集效果好、快速簡單、無溶劑污染，且消除了基質(zhì)干擾[8-9]等優(yōu)點。目前，對頂空固相微萃取進行參數(shù)優(yōu)化通常采用單變量方法，即單獨研究某一個變量而其余變量保持定值。但這種傳統(tǒng)的優(yōu)化方法忽視了各變量之間可能存在的交互作用[10-11]。而多變量試驗設(shè)計則彌補了此不足，可獲得更好的優(yōu)化結(jié)果[12-14]。

本研究將HS-SPME和GC-MS/MS相結(jié)合，采用多變量試驗設(shè)計對HS-SPME進行優(yōu)化，建立了地表水和飲用水中55種VOCs同時檢測的方法，涉及VOCs種類較全，涵蓋鹵代烴、鹵代烯烴、芳香烴、鹵代芳烴等毒性較大的VOCs，方法抗干擾能力強、選擇性高、靈敏度高，同時采用穩(wěn)定的內(nèi)標(biāo)物進行定量，保證了方法的穩(wěn)定性和準確性。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Trace GC Ultra氣相色譜儀及TSQ Quantum XLS三重四極桿質(zhì)譜儀(美國Thermo Fisher公司)，配電子轟擊離子源(EI)；22 mL磁力頂空瓶(美國Thermo Fisher公司)；固相微萃取纖維頭(美國Supelco公司)；超純水儀(上海淼康公司)。

甲醇(UV-IR-HPLC，德國CNW公司)；55種VOCs標(biāo)準品(質(zhì)量濃度均為2 000 mg/L)及內(nèi)標(biāo)(氟苯、1,2-二氯苯-D4，質(zhì)量濃度均為1 000 mg/L)均購于美國o2si 公司。

1.2 標(biāo)準工作溶液的配制

將VOCs標(biāo)準品用甲醇稀釋成一定濃度標(biāo)準使用液，再用超純水逐級稀釋配成低濃度(0.04、0.08、0.16、0.24、0.32、0.40 μg/L)、中等濃度(0.4、0.8、1.6、2.4、3.2、4.0 μg/L)和高濃度(4.0、8.0、16、24、32、40、80、100 μg/L)的系列標(biāo)準溶液，以及各自所對應(yīng)的內(nèi)標(biāo)溶液(質(zhì)量濃度分別為0.20、2.0、20 μg/L)。

1.3 頂空固相微萃取條件

取5 mL水樣加入22 mL頂空瓶中，再加入0.75 g氯化鈉，將磁力瓶蓋擰緊放入樣品盤。使用CAR/PDMS 75 μm纖維頭，萃取溫度為40 ℃，萃取時間40 min，解析溫度300 ℃，解析時間5 min。

1.4 色譜-質(zhì)譜條件

色譜條件：RTX-5ms毛細色譜柱(60 m×0.25 mm×1.0 μm)，升溫程序：初始柱溫30 ℃，保持4 min，以5 ℃/min升至150 ℃，保持5 min，再以8 ℃/min升至200 ℃，保持5 min；載氣為高純氦氣(99.999%)，柱流速為1.2 mL/min；不分流進樣；進樣口溫度為300 ℃。

質(zhì)譜條件：電子轟擊離子源(EI)，離子源溫度250 ℃，SRM模式，Q2碰撞氣：高純氬氣(純度≥99.999%)；碰撞池壓力：0.2 Pa；分辨率(FWHM)：0.7；掃描時間(Cycle time)：0.2 s；在子離子中選取定量離子(Q)和定性離子(q)，根據(jù)2種離子的強度比值(Q/q)來確證目標(biāo)物[15]。每種目標(biāo)物的Q/q理論值由標(biāo)準系列的平均值而得。根據(jù)歐盟決議[16]，當(dāng)Q/q理論值小于2時，誤差范圍是±20%；在2～5之間時，誤差范圍是±25%；在5～10之間時，誤差范圍是±30%；大于10時，誤差范圍是±50%。55種目標(biāo)物的保留時間及優(yōu)化后的GC-MS/MS參數(shù)見表1。

表1 55種VOCs的保留時間及優(yōu)化的GC-MS/MS參數(shù)Table 1 Retention time and optimized GC-MS/MS parameters of 55 VOCs

*quantitative ion

圖1 全掃描模式下55種VOCs的總離子流圖Fig.1 TIC of 55 VOCs in full scan mode

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜-質(zhì)譜參數(shù)優(yōu)化

采用100 μg/L混合標(biāo)準溶液進行MS/MS方法優(yōu)化。首先對55種目標(biāo)物進行全掃描，獲得其總離子流圖(圖1)，再根據(jù)質(zhì)譜圖，選取m/z大、信號響應(yīng)強的離子(如基峰)作母離子，以不同的碰撞能(5～40 eV)劇烈碰撞使其斷裂形成子離子，選取2個信號響應(yīng)強的離子作為子離子，其中一個強度較大的為定量離子(Q)，另外一個為定性離子(q)(表1)。研究發(fā)現(xiàn)，55種VOCs中有17種目標(biāo)物僅一個子離子，可采用假選擇反應(yīng)監(jiān)測(pseudo-SRM)模式[17-18]，以母離子作為其中的一個子離子，將優(yōu)化碰撞能設(shè)定為0 eV。

2.2 頂空固相微萃取條件優(yōu)化

圖2 標(biāo)準化效應(yīng)的Pareto圖Fig.2 Standardized Pareto chartA.extraction temperature(℃);B.sample volume(mL);C.desorption temperature(℃);D.NaCl(%);E.extraction time(min)

2.2.1 萃取纖維頭的選擇固相微萃取的萃取效果在很大程度上取決于目標(biāo)物在樣品和纖維頭涂層材料之間的分配系數(shù)[19]。因此，實驗考察了聚二甲硅氧烷(PDMS，100 μm)、聚二甲硅氧烷/二乙烯苯(PDMS/DVB，65 μm)、二乙烯苯/碳分子篩/聚二甲硅氧烷(DVB/CAR/PDMS，50/30 μm)、碳分子篩/聚二甲硅氧烷(CAR/PDMS，75 μm)、聚丙烯酸酯(PA，85 μm) 5種不同纖維頭涂層對5 mL 20 μg/L混合標(biāo)準溶液的富集效果。結(jié)果顯示，CAR/PDMS和DVB/CAR/PDMS所對應(yīng)的總峰面積高于其余3種。為進一步選擇合適萃取纖維頭，選取其中24種同類型中常見的VOCs的峰面積進行比較，發(fā)現(xiàn)CAR/PDMS對此類VOCs具有較高靈敏度，富集效果更好。因此，本研究選擇CAR/PDMS為萃取纖維頭進行方法優(yōu)化和分析測定。

2.2.2 多因素試驗設(shè)計影響頂空固相微萃取效果的因素主要為萃取溫度、樣品體積、解析溫度、氯化鈉的百分含量、萃取時間[12-13]。本研究采用統(tǒng)計軟件Minitab 16進行實驗設(shè)計。首先，篩選重要因子。分別給5個因子設(shè)定高值和低值，采用部分因子試驗設(shè)計(25-1)，設(shè)2個區(qū)組，每個區(qū)組的中心點數(shù)為3，得到22次試驗(表2)。采用20 μg/L標(biāo)準溶液進行試驗，以得到的目標(biāo)物峰面積的幾何平均值為響應(yīng)值[20]，繪制標(biāo)準化效應(yīng)的Pareto圖(圖2)。圖中的垂直線是95%的置信水平，超出垂直線為作用顯著。因此，根據(jù)圖2結(jié)果，選擇樣品體積和萃取時間為重要因子。

表2 SPME參數(shù)篩選的部分因子設(shè)計矩陣Table 2 Design matrix of half-fractional factorial design for screening of SPME parameters

(續(xù)表2)

Exp.Extraction temperature( ℃)Sample volume(mL)Desorption temperature( ℃)NaCl(%)Extraction time(min)860225015.035960230015.0151040830015.015115052757.525125052757.525135052757.5251440230015.0351560830015.035166083000.0151760825015.015184022500.035195052757.525206082500.035214023000.0152240225015.015

表3 SPME參數(shù)優(yōu)化的中心復(fù)合設(shè)計矩陣Table 3 Design matrix of central composite design for optimization of SPME parameters

圖3 樣品體積和萃取時間的響應(yīng)曲面圖Fig.3 Response surface obtained for sample volume and extraction time

然后，利用響應(yīng)曲面設(shè)計優(yōu)化重要因子。分別給樣品體積和萃取時間設(shè)定高值和低值，選擇中心復(fù)合設(shè)計類型(CCD)，設(shè)2個區(qū)組，合計中心點數(shù)為6，得到14次試驗(表3)。其余參數(shù)根據(jù)Pareto圖設(shè)為固定值(如果是正作用即設(shè)為最大值，負作用則設(shè)為最小值)。因此本研究中氯化鈉的百分含量設(shè)為15%，萃取溫度設(shè)為40 ℃，解析溫度設(shè)為300 ℃。采用20 μg/L的混合標(biāo)準溶液進行試驗，以得到的目標(biāo)物峰面積的幾何平均值為響應(yīng)值，繪制樣品體積和萃取時間的響應(yīng)曲面圖(圖3)。結(jié)果顯示，當(dāng)樣品體積為5 mL，萃取時間為40 min時，響應(yīng)值的預(yù)期為最大。

2.3 方法學(xué)驗證

2.3.1 線性關(guān)系與檢出限取“1.2”配制的低(0.04、0.08、0.16、0.24、0.32、0.40 μg/L)、中(0.4、0.8、1.6、2.4、3.2、4.0 μg/L)、高(4.0、8.0、16、24、32、40、80、100 μg/L)系列濃度的55種VOCs混合標(biāo)準溶液，在優(yōu)化條件下測定，采用內(nèi)標(biāo)法繪制標(biāo)準曲線。結(jié)果顯示，在0.04～0.4、0.4～4.0、4.0～100 μg/L質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，各組分的定量離子與內(nèi)標(biāo)物定量離子的峰面積比值與其濃度呈良好的線性，相關(guān)系數(shù)(r2)均大于0.99。

采用標(biāo)準添加法，以3倍和10倍信噪比(S/N)計算得55種VOCs的檢出限(LOD)和定量下限(LOQ)分別為0.03～80 ng/L和0.1～300 ng/L(表4)。

2.3.2 準確性與精密度向空白礦泉水中分別添加質(zhì)量濃度為0.2、2.0、40 μg/L的55種VOCs混合標(biāo)準溶液，每個濃度平行實驗6次，在優(yōu)化條件下測定，計算各目標(biāo)化合物的平均回收率和相對標(biāo)準偏差(RSD)。結(jié)果顯示，55種VOCs在低、中、高3個加標(biāo)水平下的回收率為77.3% ～124%，RSD為1.3% ～17%。

表4 55種VOCs的線性系數(shù)、加標(biāo)回收率、相對標(biāo)準偏差(n=6)、檢出限與定量下限Table 4 Correlation coefficients(r2),spiked recoveries,relative standard deviations(RSDs,n=6),limits of detection(LODs) and limits of quantification(LOQs)of 55 VOCs

圖4 自來水的SRM色譜圖Fig.4 SRM chromatogram of tap waterthe number 1-55 were the same as those in Table 1

2.4 實際樣品測定

分別采集典型的3種地表水(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類)和3種飲用水(自來水、純凈水、凈化水)，在優(yōu)化條件下測定。結(jié)果顯示，地表水中檢出37種VOCs，其中苯系物(甲苯和苯乙烯)檢出濃度(19.1 μg/L)最高，其次為氯仿和1,2,3-三氯苯(0.244～6.26 μg/L)。飲用水(自來水)中檢出25種VOCs，氯仿的檢出濃度最高，達2.10 μg/L(圖4)。該方法可用于實際樣品中VOCs的定量分析。

3 結(jié) 論

本研究采用部分因子試驗設(shè)計和中心復(fù)合設(shè)計對HS-SPME的影響參數(shù)進行了優(yōu)化，結(jié)合GC-MS/MS建立了同時檢測地表水和飲用水中55種VOCs的分析方法。該方法靈敏度高、選擇性強、準確可靠，可為地表水和飲用水中VOCs的測定提供技術(shù)支撐。